EP1281883B1 - Baureihe von Wellen und Verfahren zur Fertigung - Google Patents

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EP1281883B1
EP1281883B1 EP02012256A EP02012256A EP1281883B1 EP 1281883 B1 EP1281883 B1 EP 1281883B1 EP 02012256 A EP02012256 A EP 02012256A EP 02012256 A EP02012256 A EP 02012256A EP 1281883 B1 EP1281883 B1 EP 1281883B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
region
shaft
receiving part
area
regions
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02012256A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1281883A3 (de
EP1281883A2 (de
Inventor
Uwe Häcker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Original Assignee
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SEW Eurodrive GmbH and Co KG filed Critical SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Publication of EP1281883A2 publication Critical patent/EP1281883A2/de
Publication of EP1281883A3 publication Critical patent/EP1281883A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1281883B1 publication Critical patent/EP1281883B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/064—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end non-disconnectable
    • F16D1/072—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end non-disconnectable involving plastic deformation

Definitions

  • the invention relates to a series of shafts and a method for manufacturing.
  • the invention also includes appropriately designed shafts instead of the shafts.
  • a press-fit structure for a rotor shaft is known.
  • a shaft is introduced with its toothed region in a bore of a receiving part, wherein chips are formed during positive pressing. Ring grooves are provided for collecting the chips produced during the positive press-fitting.
  • the shaft has at least two fitting regions (FIGS. 4, 6, 7). The production of the interference fit structure is thus complicated and expensive, in particular because of the at least two fitting regions and the annular grooves.
  • a pinion mounting for planetary gear is known in which a pinion is provided with a fitting area and a standardized, hardened and ground knurling and is pressed into the receiving part at elevated temperature. To collect the chips ring grooves are also provided. The fitting area and the teeth have different outer diameters. The production of this pinion attachment is also expensive and expensive, especially because of the annular grooves and the different outer diameters of the teeth and the fitting area.
  • a further further disadvantage is that the toothing or knurling of the area B may have wear after a certain operating time, which may even lead to knocking out. If the area B fails in the torque transmission, no torque transmission is more feasible. Thus, in this case, even people could be endangered. Even in normal operation occurs, although less, wear and thus increases the game and the noise, since the teeth of the toothing or knurling in the area B and B 'meet depending on speed fluctuations.
  • the necessary areas A and C are exclusive centering aids, which do not contribute to the torque transmission.
  • the invention is therefore the object of developing a shaft attachment, the production and storage costs to be kept low and therefore the shaft attachment should be inexpensive to produce with little effort.
  • the series of shafts for attachment in a bore of a receiving part comprises at least two different sizes, each comprising different variants of waves.
  • the advantage here is that the shaft attachment in normal operation always quiet or even noiseless, since the torque or force in normal operation flows through the friction and / or non-positive connection in the area B1 and B2.
  • the shaft or shaft to be fastened is created.
  • the areas A, B3, B2, B1, C and D enter the bore of the receiving part one after the other during the pressing process. Since the diameter of the region A is smaller than the inner diameter of the region B ', accurate centering is enabled only when the region B3 of the shaft enters. Because the diameter of the region B3 is slightly smaller executable than the inner diameter of the area B ', in particular one to four hundredths. Thus, with further pressing in the area B3, the shaft centric. This advantageously gives a high stability against transverse forces. Instead of the mentioned difference in diameter in the range of one to four hundredths, other differences in diameter can be used, in particular by using temperature differences between receiving part and shaft during pressing.
  • the actual force and torque transmission is made possible by means of frictional and / or non-positive and at the same time also low-noise or even silent connection in the areas B1 and B2.
  • Another advantage is that when pressed shaft in operation even after any failure of frictional and / or non-positive connection in the areas B1 and B2, the area A and A 'transmitted as a positive connection torque and at the same time by means of the areas B1, B2 and B3 a Centering for the dissipation of shear forces is provided, even in such a congestion emergency.
  • Another advantage of the invention is that the first toothed area A and the first area B3 have the same outer diameter.
  • the production of the shaft is simplified and inexpensive.
  • the sanding of the knurled and then hardened area A and the grinding of the area B3 are made possible at the same time.
  • Another advantage is that the manufacturing and storage costs are kept low because no clutches between the shaft, in particular comprising gear-side running gear, and the receiving part are necessary. Therefore, the shaft attachment is inexpensive to produce with little effort.
  • the receiving part can be provided at its end with a centering device, which serves for the central recording of the shaft. Since the axial extent of the region A is smaller than that of the region B or B ', the shaft is in the bore of the receiving part during the insertion of the shaft, in particular when knurling the knurling of the region A in the material of the receiving part in the area A' , Guided, because the outer diameter of the Einsteckritzels in the area B3 the inner diameter of the receiving part in the area B 'is adaptable. Thus, the shaft is kept centered during threading and insertion. This important centric guidance is achieved, although the shaft in the area A and B3 has only an outer diameter and thus is easy and inexpensive to manufacture. In addition, the bore does not have several but only two different, easy to produce bore inside diameter, namely in the area A 'a smaller than in the area B'.
  • the shaft is as large as possible executable in the areas A and B, in particular only slightly smaller than the outer diameter of the toothed region D. This leads to a high strength, especially in torsion.
  • the outer diameter of the region D is considerably larger executable, since the toothing data differ accordingly.
  • the area C is essential for reducing the notch effect.
  • the exact shape of region C can be optimized by calculations using the finite element method.
  • the toothing of the area is simple and inexpensive manufacturable at the same time the largest possible diameter in the range C, B and A of the shaft, so high strength.
  • the exact shape of the course depends on the gear data of area D. If in a variant within the size of the outer diameter of the region D is correspondingly large, the partial area B1 is therefore not present.
  • An essential core of the invention is that, advantageously, a sufficiently high centering accuracy can be achieved with only one-sided guidance during insertion .
  • the size of the centering accuracy is sufficient even for a servo drive, especially in the connection of the servomotor with the servo gearbox.
  • fast-running planetary gear is to be maintained high accuracy.
  • the shaft in region D can even be used as the sun of the driving in first gear stage. In this case, a high centering accuracy of the shaft is observed, since the sun of the first gear stage, especially the high-speed servo gearbox, is extremely accurate to center.
  • in the region C is a radial transition from the slightly larger outer diameter of the region D of the shaft to the slightly smaller Outer diameter of the area B provided.
  • the notch effect and thus the risk of failure is reduced.
  • the shaft has a so-called spiral groove in the region B for venting, so a groove along the circumference screwing. It is surprising that the strength does not suffer, although the spiral groove in the area B leads at least through the area B3 and also leads into the area B1.
  • the spiral groove cuts the expiring recesses of the toothing of the region D, which also run into the area B1.
  • venting upon insertion of the shaft is achieved without deteriorating the strength or other essential properties.
  • the venting has the advantage that the centering is easier and with lower shear forces executable.
  • the toothing in the region D of the shaft is helically toothed running with a non-vanishing helix angle.
  • the area E 'of the bore is simultaneously designed as a centering aid and production aid.
  • the receiving part can be clamped during manufacture on tips and thus a high concentricity of the bore can be achieved.
  • This production aid is executable in such a way that it can be used at the same time as a centering aid when threading the shaft into the bore of the receiving part.
  • the receiving part has a mounting groove for engaging and supporting a tool with which the shaft can be pressed into the receiving part.
  • the method for producing a shaft attachment is essential that during insertion and / or pressing a temperature of the receiving part, in particular in its interior, and a temperature of the shaft, in particular in its interior, unequal, in particular, the temperature of the differs Recording part and the temperature of the wave by more than 60 Kelvin.
  • the advantage here is that a particularly strong, in some areas of the area B non-positive connection arises after temperature compensation and thereby effected shrinkage. It is surprising that, depending on the design, the connection formed in this way in the area B of the shaft is more predictable than the positive connection in the area A.
  • FIG. 1a a shaft 1 and provided with a bore 3 receiving part 4 is shown separately.
  • FIG. 1b is the shaft 1 and the receiving part 4 in the pressed, so fastened state shown.
  • this area is first provided with a knurl, then hardened and finally brought by grinding to a defined outer diameter of the shaft in the area A, which is smaller than a value d.
  • the gearing, ie manufacturing of the gearing, the region D includes the usual manufacturing processes, such as in particular milling using a milling cutter or grinding by means of a grinding wheel. If the root radius of the toothing in the area D, ie the lowest point of the tooth gaps, is smaller than the outside radius, ie the largest radius in the area B and C, then at least also in the adjacent area C and also in the area B. Partially cut, because the respective tool works on a radius.
  • the recesses formed by the tooth spaces of the toothing of the region D thus extend at least partially into the region B1 of the shaft, depending on the toothing data in their foot zones. This partially incised area is in the FIG. 1a denoted by B1.
  • the portions of the area B which are not cut are denoted by B2 and B3.
  • the axial extent of the sections B1, B2 and B3 depends on the radius of the tools and on the dimensions and dimensions of the shaft. If the root radius of the toothing in the area D is larger than the outside radius in the area B and C, the area C and B will not be cut.
  • the inner diameter of the bore of the receiving part is in the area B 'greater than or equal to the value d.
  • Particularly suitable is the tolerance h7.
  • the regions A and B3 of the shaft have a smaller outer diameter than the value d.
  • the tolerance h6 is suitable.
  • a somewhat larger outside diameter than the value d is used to produce a frictional and non-positive connection with the region B 'of the bore.
  • the toothing of the region D is executed in a first embodiment of the invention with a helical toothing. Therefore, and because of the frictional and non-positive Connection in the area B1 and B2 is a particularly quiet operation of the range D comprehensive gear stage allows.
  • the region D is designed as a straight toothing for use as the sun in a driving planetary gear stage.
  • the knurled area A is not cut in the production of the toothing of the area D.
  • the knurling of the area A is always the same regardless of the toothing data of the area D.
  • This has the advantage that when inserting the shaft 1 into the bore 3 of the receiving part always the same knurling is pressed into the receiving part and the thus created positive connection between the shaft 1 and receiving part 4 is always carried out similar. There is thus no danger that this connection would be weakened as a result of unfavorable toothing data of the area D.
  • the number of teeth of the area A and the area D may be equal without the position of the teeth on the circumference of the shaft against each other for the connection of importance.
  • a spiral groove 2 is additionally introduced in the region B and serves for venting during insertion of the shaft 1 into the bore 3 of the receiving part.
  • the hard knurling of the region A cuts into the inner wall of the bore in the region A ', since the diameter of the bore 3 in the region A' is smaller than the diameter in the region B '.
  • the outer diameter of the areas A and B3 of the shaft is the same.
  • the inner diameter in the area A ' is smaller than the outer diameter of the shaft in the area A and B3.
  • region C which represents a transition region from the larger outer diameter of the shaft in the region D to the smaller outer diameter in the region B.
  • This transition is in accordance with a first embodiment of the invention FIGS. 1a and 1b realized with a radius.
  • FIGS. 1a and 1b realized with a radius.
  • other radii or other shapes are advantageous in the transition region.
  • FIG. 1b is also shown that in an embodiment of the invention, the bore 3 is made so deep in the receiving part, that a cavity is present, which comprises at least the distance s. In further embodiments of the invention this cavity is eliminated.
  • toothing can be used instead of the knurling. Under toothing is always at least an involute to understand.
  • the region E 'of the bore 3 is designed in an embodiment according to the invention for centering conically with an angle of 60 °. This centering facilitates the insertion of the shaft in the bore 3 and thus reduces costs and effort. In further embodiments according to the invention, other angles or centering aids are advantageously carried out. At the same time, this centering aid is used as a production aid for clamping the receiving part between peaks and thus an advantageous high concentricity can be achieved.
  • the receiving part of a clutch or a motor in particular electric motor comprises.
  • the rotor shaft of the motor or a shaft portion of the coupling is designed as a receiving part according to the invention with bore according to the invention.
  • the shaft is a driving pinion for a transmission.
  • the shaft with its area D at least partially usable as the sun of a planetary gear.
  • This direct coupling saves additional parts, such as clutches or the like.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baureihe von Wellen und ein Verfahren zur Fertigung. Die Erfindung umfasst auch anstatt der Wellen entsprechend ausgeführte Schafte.
  • Aus der EP 0 339 380 B1 ist eine Vorrichtung zur koaxialen drehfesten Verbindung zweier Teile bekannt, bei der ein Quergewindestift zur axialen Fixierung eingesetzt wird. Die Vorrichtung ist jedoch aufwendig zu fertigen, da der Quergewindestift ein zusätzliches Teil darstellt und eine entsprechende, für diesen Quergewindestift geeignete Gewindebohrung zu fertigen ist.
  • Aus der DE 37 32 223 C2 ist ein Presspassungsaufbau für eine Rotorwelle bekannt. Dabei wird eine Welle mit ihrem verzahnten Bereich eingeführt in eine Bohrung eines Aufnahmeteils, wobei beim formschlüssigen Einpressen Späne entstehen. Zum Sammeln der beim formschlüssigen Einpressen entstehenden Späne sind Ringnuten vorgesehen. Außerdem weist die Welle mindestens zwei Passbereiche (Fig. 4, 6, 7) auf. Die Fertigung des Presspassungsaufbaus ist somit insbesondere wegen der mindestens zwei Passbereiche und den Ringnuten aufwendig und kostspielig.
  • Aus der DE 41 34 552 A1 ist eine Ritzel-Befestigung für Planetengetriebe bekannt, bei der ein Ritzel mit einem Passbereich und einer genormten, gehärteten und geschliffenen Rändelverzahnung versehen ist und in das Aufnahmeteil bei erhöhter Temperatur eingepresst wird. Zum Sammeln der Späne sind ebenfalls Ringnuten vorgesehen. Der Passbereich und die Verzahnung weisen verschiedene Außendurchmesser auf. Die Fertigung dieser Ritzel-Befestigung ist ebenfalls aufwendig und kostspielig, insbesondere wegen den Ringnuten und den verschiedenen Außendurchmessern der Verzahnung und des Passbereichs.
  • Aus der EP 0 784 758 B1 ist eine Wellen-Befestigung bekannt, die zwei Passbereiche (Fig. 1 und 2, Bereiche A und C) aufweist. Beim Einführen der Welle in die Bohrung eines Aufnahmeteils wird der Formschluss durch ein formschlüssigen Einpressen erreicht. Das Drehmoment wird von dem verzahnten oder gerändelten Bereich B übertragen. Nachteilig ist, dass der Bereich B keine Axialkräfte übertragen kann. Nachteilig ist auch, dass zwei Passbereiche notwendig sind, da somit eine große Baulänge notwendig ist. Außerdem ist die Fertigung zweier Passbereiche sehr kostspielig. Des Weiteren weist die Bohrung drei verschiedene Durchmesser auf, die ebenfalls aufwendig zu fertigen sind. Wesentlicher weiterer Nachteil ist auch, dass die Verzahnung oder Rändelung des Bereiches B nach einer gewissen Betriebszeit Verschleiß aufweisen kann, der sogar zum Ausschlagen führen kann. Wenn der Bereich B bei der Drehmomentübertragung versagt, ist keine Drehmomentübertragung mehr ausführbar. Somit könnten in diesem Fall sogar Menschen gefährdet werden. Auch im Fall des nur geringen Verschleißes tritt schon im Normalbetrieb Geräuschbildung auf, da die Zähne der Verzahnung oder Rändelung im Bereich B und B' aufeinanderschlagen abhängig von Drehzahlschwankungen. Die notwendigen Bereiche A und C stellen ausschließliche Zentrierhilfen dar, die nichts zur Drehmomentübertragung beitragen.
  • Aus der EP 0 661 474 B1 ist eine Wellen-Befestigung bekannt, die ebenfalls zwei Passbereiche und eine Bohrung mit drei verschiedenen Durchmessern aufweist. Auch eine solche Wellen-Befestigung ist aufwendig zu fertigen. In einer anderen Variante derselben Schrift wird auch eine Wellenbefestigung mit nur zwei verschiedenen Durchmessern der Bohrung offenbart. Auch diese Variante ist kostspielig, da die Passbereiche und die Innenwände der Bohrung derart genau bearbeitet werden müssen, dass einerseits beim Einführen der Welle zum Einpressen in die Bohrung des Aufnahmeteils keine Späne entstehen und andererseits nach Einführen, also im eingepressten Zustand nach Montage, keine Zwischenräume zwischen der Welle und der Innenwand der Bohrung entstehen. Das Drehmoment wird von dem verzahnten oder gerändelten Bereich B übertragen. Nachteilig ist auch, dass der Bereich B keine Axialkräfte übertragen kann. Wesentlicher weiterer Nachteil ist des Weiteren, dass die Verzahnung oder Rändelung des Bereiches B nach einer gewissen Betriebszeit Verschleiß aufweisen kann, der sogar zum Ausschlagen führen kann. Wenn der Bereich B bei der Drehmomentübertragung versagt, ist keine Drehmomentübertragung mehr ausführbar. Somit könnten in diesem Fall sogar Menschen gefährdet werden. Auch im Normalbetrieb tritt ein, wenn auch geringer, Verschleiß auf und erhöht somit das Spiel und die Geräuschbildung, da die Zähne der Verzahnung oder Rändelung im Bereich B und B' abhängig von Drehzahlschwankungen aufeinandertreffen. Die notwendigen Bereiche A und C stellen ausschließliche Zentrierhilfen dar, die nichts zur Drehmomentübertragung beitragen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wellen-Befestigung weiterzubilden, wobei die Fertigungs- und Lagerkosten gering gehalten werden sollen und daher die Wellen-Befestigung kostengünstig mit wenig Aufwand herstellbar sein soll.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Baureihe nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Die Baureihe von Wellen zur Befestigung in einer Bohrung eines Aufnahmeteiles umfasst dabei mindestens zwei verschiedene Baugrößen, die jeweils verschiedene Varianten von Wellen umfassen.
  • Wesentliche Merkmale der Erfindung bei der Baureihe sind, dass die folgenden Merkmale vorgesehen sind
    1. a) die Welle jeweils mindestens vier axiale Bereiche A, B, C und D besitzt, die in alphabetischer Reihenfolge der sie bezeichnenden Buchstaben aneinandergrenzen und von denen D einen größeren Außendurchmesser als A und/oder B hat;
    2. b) innerhalb einer Baugröße mehrere Varianten von Wellen umfasst sind, die im Bereich D der Welle jeweils verschieden verzahnt sind;
    3. c) bei der Welle der Bereich A verzahnt oder gerändelt ist;
    4. d) innerhalb einer ersten Baugröße mindestens bei einer ersten Variante die Welle im Bereich B nicht verzahnt ist;
    5. e) innerhalb der ersten Baugröße bei mindestens einer zweiten Variante die durch die Zahnlücken der Verzahnung des Bereiches D gebildeten Ausnehmungen sich in ihren Fußzonen mindestens teilweise auch in den Bereich B der Welle erstrecken, also der Bereich B einen Teilbereich B1 umfasst, in den sich die Ausnehmungen erstrecken, und der Bereich B weitere Teilbereiche, insbesondere B2 und B3, umfasst, in denen keine solchen Ausnehmungen vorgesehen sind;
    6. f) die Bohrung im Aufnahmeteil mindestens in drei axial aneinandergrenzende Bereiche A', B' und E' aufgeteilt ist, wobei der Bereich A' bei in dem Aufnahmeteil befestigter Welle dem Bereich A zugeordnet ist und wobei der Bereich B' bei in dem Aufnahmeteil befestigter Welle dem Bereich B zugeordnet ist, und der Bereich E' sich an den Bereich B' anschließt;
    7. g) die Bohrung im Aufnahmeteil im Bereich B' einen Innendurchmesser aufweist, der mathematisch gleich oder größer ist als der Wert d;
    8. h) der Wellenbereich B einen Teilbereich B3 umfasst, der sich an den Bereich A anschließt und der Außendurchmesser des Bereiches B3 dem Außendurchmesser des Bereiches A gleicht und kleiner ist als der Wert d;
    9. i) der Wellenbereich B weitere Teilbereiche B1 und B2 umfasst, wobei sich der B1 an den Bereich B2 anschließt und der Bereich B2 an den Bereich B3 anschließt und wobei der Außendurchmesser der weiteren Bereich B1 und B2 stets derart größer ist als der Wert d, dass in den Bereichen B1 und B2 bei in dem Aufnahmeteil eingepresster Welle eine reib- und/oder kraftschlüssige Verbindung vorgesehen ist;
    10. j) bei in dem Aufnahmeteil eingepresster Welle diese mit ihrem verzahnten oder gerändelten Bereich A infolge des Einpressens der Welle formschlüssig in den Bereich A' der Bohrung eingeschnitten ist.
  • Von Vorteil ist dabei, dass die Wellen-Befestigung im Normalbetrieb stets geräuscharm oder sogar geräuschlos bleibt, da das Drehmoment oder die Kraft im Normalbetrieb durch die reibund/oder kraftschlüssige Verbindung im Bereich B1 und B2 fließt.
    • Außerdem überträgt die reib- und/oder kraftschlüssige Verbindung im Bereich B1 und B2 vorteiligerweise auch Axialkräfte.
  • Von Vorteil ist darüber hinaus, dass eine zentrische Aufnahme der zu befestigenden Welle oder des Schaftes, insbesondere Ritzelschaftes, geschaffen ist. Nach Einhalten entsprechend hoher Montagegenauigkeiten treten die Bereiche A, B3, B2, B1, C und D während des Einpressens nacheinander in die Bohrung des Aufnahmeteils ein. Da der Durchmesser des Bereiches A kleiner ist als der Innendurchmesser des Bereiches B', wird erst bei Eintreten des Bereiches B3 der Welle eine genaue Zentrierung ermöglicht. Denn der Durchmesser des Bereiches B3 ist etwas kleiner ausführbar als der Innendurchmesser des Bereiches B', insbesondere ein bis vier Hunderstel. Somit führt bei weiterem Einpressen der Bereich B3 die Welle zentrisch. Dadurch ist vorteiligerweise eine hohe Stabilität gegen Querkräfte gegeben. Statt der erwähnten Durchmesser-Differenz im Bereich von ein bis vier Hundertstel sind auch andere Durchmesserdifferenzen verwendbar, insbesondere unter Anwendung von Temperaturdifferenzen zwischen Aufnahmeteil und Welle beim Einpressen.
  • Beim weiteren Einführen der Welle werden dann die Bereiche A, B2 und B3 eingepresst. Somit entsteht im gerändelten oder verzahnten Bereich A eine formschlüssige Verbindung, die als Überlastsicherung einsetzbar ist.
  • Die eigentliche Kraft- und Drehmomentübertragung ist mittels der reib- und/oder kraftschlüssigen und gleichzeitig auch geräuscharmen oder sogar geräuschlosen Verbindung in den Bereichen B1 und B2 ermöglicht.
  • Weiterer Vorteil ist, dass bei eingepresster Welle im Betrieb sogar nach eventuellem Versagen der reib- und/oder kraftschlüssigen Verbindung in den Bereichen B1 und B2 der Bereich A und A' als formschlüssige Verbindung Drehmoment übertragen und gleichzeitig mittels der Bereiche B1, B2 und B3 eine Zentrierung zur Ableitung von Querkräften vorgesehen ist, sogar in einem solchen Überlastungs-Notfall.
  • Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der erste Verzahnungsbereich A und der erste Bereich B3 denselben Außendurchmesser aufweisen. Somit ist die Fertigung der Welle vereinfacht und kostengünstig. Insbesondere ist das Überschleifen des gerändelten und dann gehärteten Bereiches A und das Schleifen des Bereiches B3 gleichzeitig ermöglicht.
  • Von Vorteil ist außerdem, dass die Fertigungs- und Lagerkosten gering gehalten werden, weil keine Kupplungen zwischen der Welle, insbesondere umfassend getriebeseitige Laufverzahnung, und dem Aufnahmeteil notwendig sind. Daher ist die Wellen-Befestigung kostengünstig mit wenig Aufwand herstellbar.
  • Von Vorteil ist auch, dass das Aufnahmeteil an seinem Ende mit einer Zentriereinrichtung vorsehbar ist, die zur zentrischen Aufnahme der Welle dient. Weil die axiale Ausdehnung des Bereiches A kleiner ist als die des Bereichs B bzw. B', ist die Welle während des Einführens der Welle in die Bohrung des Aufnahmeteils, insbesondere beim Einpressen der Rändelung des Bereiches A in das Material des Aufnahmeteils im Bereich A', geführt, weil der Außendurchmesser des Einsteckritzels im Bereich B3 dem Innendurchmesser des Aufnahmeteils im Bereich B' anpassbar ist. Somit ist die Welle beim Einfädeln und Einführen zentrisch gehalten. Diese wichtige zentrische Führung wird erreicht, obwohl die Welle im Bereich A und B3 nur einen Außendurchmesser aufweist und somit einfach und kostengünstig zu fertigen ist. Außerdem weist die Bohrung nicht mehrere sondern nur zwei verschiedene, einfach zu fertigende Bohrungsinnendurchmesser auf, nämlich im Bereich A' einen kleineren als im Bereich B'.
  • Wesentlicher Vorteil ist auch, dass die zentrische Führung durch die entsprechend ausgelegten, zueinander liegenden Bereich B3 und B' mit zunehmendem Einführen der Welle stärker wird. Querkräfte bewirken bei zunehmendem Einführen also eine immer geringere radiale Auslenkung der Welle.
  • Weiterer Vorteil ist bei der Erfindung, dass die Welle in den Bereichen A und B möglichst groß ausführbar ist, insbesondere nur wenig kleiner als der Außendurchmesser des verzahnten Bereiches D. Dies führt zu einer hohen Festigkeit, insbesondere bei Torsion. Bei anderen Varianten der Baureihe ist allerdings der Außendurchmesser des Bereiches D erheblich größer ausführbar, da die Verzahnungsdaten sich entsprechend unterscheiden. In diesem Fall ist der Bereich C zur Verminderung der Kerbwirkung wesentlich. Die genaue Form des Bereiches C ist durch Berechnungen mit Finite-Elemente-Methode optimierbar.
  • Weiterer Vorteil ist bei der Erfindung, dass die Ausnehmungen der Zahnlücken des Bereiches D über den Bereich C und in den Bereich B hineinlaufen dürfen, ohne dass die Festigkeit oder andere wesentliche Eigenschaften der Wellen-Befestigung beachtenswert verschlechtert wären, wobei dieser Teilbereich des Bereiches B mit B1 bezeichnet wird. Also ist auch mit der vorliegenden Erfindung die Verzahnung des Bereiches einfach und kostengünstig fertigbar bei gleichzeitig möglichst großem Durchmesser im Bereich C, B und A der Welle, also hoher Festigkeit. Die genaue Form des Verlaufes hängt von den Verzahnungsdaten des Bereiches D ab. Falls bei einer Variante innerhalb der Baugröße der Außendurchmesser des Bereiches D entsprechend groß ist, ist der Teilbereich B1 also nicht vorhanden.
  • Wesentlicher Kern der Erfindung ist, dass vorteiligerweise mit einer nur einseitigen Führung beim Einführen eine ausreichend hohe Zentriergenauigkeit erreichbar ist. Die Größe der Zentriergenauigkeit reicht sogar für einen Servoantrieb aus, insbesondere bei der Verbindung des Servomotors mit dem Servogetriebe. Gerade bei einem mit dem Servomotor zu verbindenden, schnell laufenden Planetengetriebe ist nämlich eine hohe Genauigkeit einzuhalten. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Welle im Bereich D sogar als Sonne der eintreibenden ersten Getriebestufe verwendbar. Dabei ist eine hohe Zentriergenauigkeit der Welle einzuhalten, da die Sonne der ersten Getriebestufe, insbesondere des schnell laufenden Servogetriebes, äußerst genau zu zentrieren ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Bereich C ist ein radialer Übergang von dem etwas größeren Außendurchmesser des Bereiches D der Welle auf den etwas kleineren Außendurchmesser des Bereiches B vorgesehen. Vorteilhafterweise ist somit die Kerbwirkung und somit Versagensgefahr vermindert.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Welle eine sogenannte Spiralnut im Bereich B zur Entlüftung auf, also eine sich am Umfang entlang schraubende Nut. Überraschend ist dabei, dass die Festigkeit nicht leidet, obwohl die Spiralnut im Bereich B mindestens durch den Bereich B3 führt und auch in den Bereich B1 hineinführt. Die Spiralnut schneidet dabei die auslaufenden Ausnehmungen der Verzahnung des Bereiches D, die ebenfalls bis in den Bereich B1 hineinlaufen. Da die Spiralnut darüber hinaus einfach und kostengünstig zu fertigen ist, ist eine Entlüftung beim Einführen der Welle erreicht, ohne dass die Festigkeit oder andere wesentliche Eigenschaften verschlechtert wären. Die Entlüftung hat den Vorteil zur Folge, dass die Zentrierung einfacher und mit geringeren Querkräften ausführbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verzahnung im Bereich D der Welle schräg verzahnt ausgeführt mit einem nichtverschwindenden Schrägungswinkel. Von Vorteil ist, dass somit besonders geräuscharme Getriebe herstellbar sind. Außerdem stören überraschenderweise die in den Bereich B1 laufenden Ausnehmungen des als Schrägverzahnungsbereich ausgeführten Bereiches D weder die Festigkeit der Welle, noch ist die reib- und formschlüssige Verbindung wesentlich weniger tragfähig. Auch die Geräuscharmut wird nicht negativ beeinflusst.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bereich E' der Bohrung gleichzeitig als Zentrierhilfe und Fertigungshilfe ausgeführt. Von Vorteil ist außerdem, dass das Aufnahmeteil beim Fertigen auf Spitzen aufspannbar ist und somit eine hohe Rundlaufgenauigkeit der Bohrung erzielbar ist. Diese Fertigungshilfe ist dabei derart ausführbar, dass sie gleichzeitig als Zentrierhilfe beim Einfädeln der Welle in die Bohrung des Aufnahmeteils verwendbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Aufnahmeteil eine Montagenut auf zum Eingreifen und Abstützen eines Werkzeuges, mit der die Welle in das Aufnahmeteil einpressbar ist. Von Vorteil ist, dass somit die geforderte Zentriergenauigkeit beim Einpressen erreichbar ist.
  • Bei dem Verfahren zur Fertigung einer Wellen-Befestigung ist wesentlich, dass während des Einführens und/oder Einpressens eine Temperatur des Aufnahmeteils, insbesondere in seinem Inneren, und eine Temperatur der Welle, insbesondere in ihrem Inneren, ungleich sind, insbesondere unterscheidet sich die Temperatur des Aufnahmeteils und die Temperatur der Welle um mehr als 60 Kelvin. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders feste, in Teilbereichen des Bereiches B kraftschlüssige Verbindung nach Temperaturausgleich und dadurch bewirkter Schrumpfung entsteht. Überraschend ist dabei, dass je nach Auslegung die auf diese Weise entstandene Verbindung im Bereich B der Welle stärker vorsehbar ist, als die formschlüssige Verbindung im Bereich A.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    • Bezugszeichenliste
    1. 1 Welle
    2. 2 Spiralnut
    3. 3 Bohrung
    4. 4 Aufnahmeteil
    5. 5 Montagenut
  • Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
  • In der Figur 1a ist ein Welle 1 und ein mit einer Bohrung 3 versehenes Aufnahmeteil 4 jeweils separat gezeigt. In der Figur 1b ist das Welle 1 und das Aufnahmeteil 4 im eingepressten, also befestigten Zustand gezeigt.
  • Dabei weist das Welle 1 an seinem Aufnahmeteil-seitigen Ende einen gehärteten gerändelten Bereich A auf. Bei der Fertigung wird dieser Bereich zuerst mit einem Rändel versehen, danach gehärtet und am Ende durch Überschleifen auf einen definierten Außendurchmesser der Welle im Bereich A gebracht, der kleiner ist als ein Wert d.
  • Das Verzahnen, also Fertigen der Verzahnung, des Bereiches D umfasst die üblichen Fertigungsverfahren, wie insbesondere Fräsen unter Einsatz eines Fräsers oder Schleifen mittels einer Schleifscheibe. Wenn der Fusskreisradius der Verzahnung im Bereich D, also der jeweils tiefste Punkt der Zahnlücken, kleiner ist als der Außenradius, also der jeweils größte Radius, im Bereich B und C, wird dabei auch in den benachbarten Bereich C und auch in den Bereich B zumindest teilweise eingeschnitten, weil das jeweilige Werkzeug auf einem Radius arbeitet. Die durch die Zahnlücken der Verzahnung des Bereiches D gebildeten Ausnehmungen erstrecken sich somit abhängig von den Verzahnungsdaten in ihren Fußzonen mindestens teilweise auch in den Bereich B1 der Welle. Dieser teilweise eingeschnittene Bereich ist in der Figur 1a mit B1 bezeichnet. Die Teilbereiche des Bereiches B, welche nicht eingeschnitten sind, sind mit B2 und B3 bezeichnet. Die axiale Ausdehnung der Teilbereiche B1, B2 und B3 hängt vom Radius der Werkzeuge und von den Dimensionierungen und Abmessungen der Welle ab. Wenn der Fusskreisradius der Verzahnung im Bereich D größer ist als der Außenradius im Bereich B und C, wird in die Bereiche C und B nicht eingeschnitten.
  • Der Innendurchmesser der Bohrung des Aufnahmeteils ist im Bereich B' größer oder gleich dem Wert d. Besonders geeignet ist die Toleranz h7. Die Bereiche A und B3 der Welle weisen einen kleineren Außendurchmesser als der Wert d auf. Insbesondere ist die Toleranz h6 geeignet. Im Bereich B1 und B2 wird zur Erzeugung einer reib- und kraftschlüssigen Verbindung mit dem Bereich B' der Bohrung ein etwas größerer Außendurchmesser als der Wert d verwendet. Somit wird beim Einpressen in den Bereichen B1 und B2 Material verformt und eine hoch tragfähige, reibschlüssige Verbindung erzeugt.
  • Die Verzahnung des Bereiches D ist bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einer Schrägverzahnung ausgeführt. Daher und wegen der reib- und kraftschlüssigen Verbindung im Bereich B1 und B2 ist ein besonders geräuscharmer Betrieb der den Bereich D umfassenden Getriebestufe ermöglicht.
  • Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Bereich D als Geradverzahnung ausgeführt zur Verwendung als Sonne bei einer eintreibenden Planetengetriebestufe.
  • In den gerändelten Bereich A wird bei der Fertigung der Verzahnung des Bereiches D nicht eingeschnitten. Somit ist die Rändelung des Bereiches A unabhängig von den Verzahnungsdaten des Bereiches D immer gleich. Dies hat zum Vorteil, dass beim Einführen der Welle 1 in die Bohrung 3 des Aufnahmeteils immer dieselbe Rändelung in das Aufnahmeteil eingedrückt wird und die somit geschaffene formschlüssige Verbindung zwischen Welle 1 und Aufnahmeteil 4 immer gleichartig ausgeführt ist. Es besteht also keinerlei Gefahr, dass diese Verbindung infolge ungünstiger Verzahnungsdaten des Bereiches D geschwächt würde. Insbesondere dürfen die Zähnezahlen des Bereiches A und des Bereiches D gleich sein, ohne dass die Position der Zähne am Umfang der Welle gegeneinander für die Verbindung von Bedeutung wäre.
  • Eine Spiralnut 2 ist im Bereich B zusätzlich eingebracht und dient zur Entlüftung beim Einführen der Welle 1 in die Bohrung 3 des Aufnahmeteils.
  • Beim Einführen der Welle in das Aufnahmeteil schneidet sich die harte Rändelung des Bereiches A in die Innenwand der Bohrung im Bereich A' ein, da der Durchmesser der Bohrung 3 im Bereich A' kleiner ist als der Durchmesser im Bereich B'. Der Außendurchmesser der Bereiche A und B3 der Welle ist hingegen gleich. Der Innendurchmesser im Bereich A' ist kleiner als der Außendurchmesser der Welle im Bereich A und B3.
  • Zwischen Bereich B und dem mit Verzahnung versehenen Bereich D liegt ein Bereich C, der einen Übergangsbereich vom größeren Außendurchmesser der Welle im Bereich D auf den kleineren Außendurchmesser im Bereich B darstellt. Dieser Übergang ist in einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a und 1b mit einem Radius realisiert. Somit wird die Empfindlichkeit gegen Kerbwirkung vermindert. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind andere Radien oder auch andere Formen beim Übergangsbereich vorteilhaft.
  • In Figur 1b ist außerdem gezeigt, dass bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Bohrung 3 im Aufnahmeteil derart tief ausgeführt ist, dass ein Hohlraum vorhanden ist, der mindestens den Abstand s umfasst. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen entfällt dieser Hohlraum.
  • Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt der Rändelung auch eine andere Verzahnung verwendbar. Unter Verzahnung ist immer zumindest auch eine Evolventenverzahnung zu verstehen.
  • Der Bereich E' der Bohrung 3 ist bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zur Zentrierung kegelig mit einem Winkel von 60° ausgeführt. Diese Zentrierhilfe erleichtert das Einführen der Welle in die Bohrung 3 und vermindert somit Kosten und Aufwand. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch andere Winkel oder Zentrierhilfen vorteilhaft ausführbar. Gleichzeitig ist diese Zentrierhilfe als Fertigungshilfe zum Einspannen des Aufnahmeteils zwischen Spitzen verwendbar und somit eine vorteilige hohe Rundlaufgenauigkeit erreichbar.
  • Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Aufnahmeteil von einer Kupplung oder einem Motor, insbesondere Elektromotor, umfasst. Insbesondere ist die Rotorwelle des Motors oder ein Wellenstück der Kupplung als erfindungsgemäßes Aufnahmeteil mit erfindungsgemäßer Bohrung ausgeführt.
  • Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Welle eintreibendes Ritzel für ein Getriebe. Somit sind Teile eingespart und mit einem äußerst geringen Fertigungs- und Montageaufwand eine formschlüssige Verbindung geschaffen, die mit wenigen Teilen auskommt und schnell und einfach zu montieren ist.
  • Insbesondere ist bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen die Welle mit seinem Bereich D mindestens teilweise als Sonne eines Planetengetriebes einsetzbar. Diese direkte Ankoppelung erspart weitere Teile, wie Kupplungen oder dergleichen.

Claims (11)

  1. Baureihe von Wellen zur Befestigung in einer Bohrung (3) eines Aufnahmeteiles (4),
    wobei die Baureihe mindestens zwei verschiedene Baugrößen umfasst, die jeweils verschiedene Varianten von Wellen umfassen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die Welle (1) jeweils mindestens vier axiale Bereiche A, B, C und D besitzt, die in alphabetischer Reihenfolge der sie bezeichnenden Buchstaben aneinandergrenzen und von denen D einen größeren Außendurchmesser als A und/oder B hat;
    b) innerhalb einer Baugröße mehrere Varianten von Wellen umfasst sind, die im Bereich D der Welle (1) jeweils verschieden verzahnt sind;
    c) bei der Welle (1) der Bereich A verzahnt oder gerändelt ist;
    d) innerhalb einer ersten Baugröße mindestens bei einer ersten Variante die Welle (1) im Bereich B nicht verzahnt ist;
    e) innerhalb der ersten Baugröße bei mindestens einer zweiten Variante die durch die Zahnlücken der Verzahnung des Bereiches D gebildeten Ausnehmungen sich in ihren Fußzonen mindestens teilweise auch in den Bereich B der Welle (1) erstrecken, also der Bereich B einen Teilbereich B1 umfasst, in den sich die Ausnehmungen erstrecken, und der Bereich B weitere Teilbereiche, insbesondere B2 und B3, umfasst, in denen keine solchen Ausnehmungen vorgesehen sind;
    f) die Bohrung (3) im Aufnahmeteil (4) mindestens in drei axial aneinandergrenzende Bereiche A', B' und E' aufgeteilt ist, wobei der Bereich A' bei in dem Aufnahmeteil (4) befestigter Welle (1) dem Bereich A zugeordnet ist und wobei der Bereich B' bei in dem Aufnahmeteil (4) befestigter Welle (1) dem Bereich B zugeordnet ist, und der Bereich E' sich an den Bereich B' anschließt;
    g) die Bohrung (3) im Aufnahmeteil (4) im Bereich B' einen Innendurchmesser aufweist, der mathematisch gleich oder größer ist als der Wert d;
    h) der Wellenbereich B einen Teilbereich B3 umfasst, der sich an den Bereich A anschließt und der Außendurchmesser des Bereiches B3 dem Außendurchmesser des Bereiches A gleicht und kleiner ist als der Wert d;
    i) der Wellenbereich B weitere Teilbereiche B1 und B2 umfasst, wobei sich der B1 an den Bereich B2 anschließt und der Bereich B2 an den Bereich B3 anschließt und wobei der Außendurchmesser der weiteren Bereich B1 und B2 stets derart größer ist als der Wert d, dass in den Bereichen B1 und B2 bei in dem Aufnahmeteil (4) eingepresster Welle (1) eine reib- und/oder kraftschlüssige Verbindung vorgesehen ist;
    j) bei in dem Aufnahmeteil (4) eingepresster Welle (1) diese mit ihrem verzahnten oder gerändelten Bereich A infolge des Einpressens der Welle (1) formschlüssig in den Bereich A' der Bohrung (3) eingeschnitten ist.
  2. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Bereich A der Welle (1) mit dem Bereich A' des Aufnahmeteils (4) als formschlüssige Verbindung bei Überlast vorgesehen ist.
  3. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verzahnung im Bereich D der Welle (1) schräg verzahnt ausgeführt ist mit einem nichtverschwindenden Schrägungswinkel.
  4. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich E' der Bohrung (3) gleichzeitig als Zentrierhilfe und Fertigungshilfe ausgeführt ist.
  5. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aufnahmeteil (4) on einer Kupplung oder einem Motor, insbesondere Elektromotor, umfasst wird.
  6. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) eintreibendes Ritzel für ein Getriebe ist.
  7. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich D mindestens teilweise als Sonne eines Planetengetriebes einsetzbar ist.
  8. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aufnahmeteil (4) eine Montagenut (5) aufweist zum Eingreifen und Abstützen eines Werkzeuges, mit der die Welle (4) in das Aufnahmeteil (1) einpressbar ist.
  9. Baureihe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Welle (1) im Bereich B eine Spiralnut (2) also eine sich am Umfang entlang schraubende Nut, aufweist zum Druckausgleich oder Entlüften, insbesondere beim Einpressen der Welle (1) in das Aufnahmeteil (4).
  10. Verfahren zur Fertigung einer Wellen-Befestigung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    wobei
    während des Einführens und/oder Einpressens eine Temperatur des Aufnahmeteils (4), insbesondere in seinem Inneren, und eine Temperatur der Welle (1), insbesondere in ihrem Inneren, ungleich sind
  11. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Temperatur des Aufnahmeteils (4) und die Temperatur der Welle (1) sich um mehr als 60 Kelvin unterscheiden.
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